基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法

杨金钢 余春明 李维山 张天鹏

（西安机电信息研究所，陕西 西安 710065）

引言

引信是武器装备弹药中终端毁伤效能的重要控制系统，在现代化战争中越发显示出其重要地位。随着现代战争信息化特征日趋加剧和战场环境的日趋恶劣，传统无线电引信的生存能力受到严重威胁。近年来随着毫米波器件的广泛应用和毫米波技术自身的一系列的特点[1]，如具有空间分辨力高、频谱宽等优点，使毫米波技术广泛应用于引信技术中。

引信一般安装在弹体头部，由于弹体飞行过程中处于高速加载、加热等严峻环境中，天线裸露在外将会严重影响其性能，为了保护天线在复杂环境中能够稳定工作，一般是在引信头部天线外安装锥形天线罩保护[2][3]。早期无线电引信探测器大多工作于厘米波段，天线罩的单层锥形结构相对波长来说电尺寸较小，可以满足探测系统的要求，但对于毫米波技术，其天线罩已成为电大尺寸，造成了天线方向图发生了畸变等辐射性能的下降。

针对天线罩在毫米波探测系统中已成为电大尺寸，造成了毫米波天线方向图畸变等辐射性能的下降，不能满足毫米波引信探测的使用问题，本文提出了一种基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法。

一、传统无线电引信天线罩设计

（一）天线罩介绍

天线罩按照罩壁横截面材料结构形式进行分类，一般可以分为：单层、A-夹层、B-夹层、C-夹层、多层结构、含金属物的介质层以及空间骨架结构等[4]。不同横截面的结构形式如图1 所示，具体介绍如下：

1.单层天线罩：从结构上分为均匀厚度和变厚度单层。

2.A-夹层天线罩：由三层结构组合而成，外表面蒙皮使用相对介电常数较大的高密度复合材料，中间芯层使用相对介电常数很低的低密度材料。

3.B-夹层天线罩：一种三层结构的天线罩，表面层介质材料介电常数较层介电常数的均方值。

4.C-夹层天线罩：一种五层结构的天线罩，由外蒙皮、中心蒙皮和两层中间夹心构成。

5.含金属物的介质层天线罩：介质中的金属含物呈球粒状或薄带状对称分布，调节金属含量的形状及分布，可有效地改善介质层导纳特性，可以实现频率滤波、扩宽频带以及降低天线罩厚度。

天线罩按照气体动力学外形可以分为正切卵形、锥形、冯卡曼形、半球形以及幂形天线罩[5]，这些天线罩的几何结构具有旋转对称性，可以使用明确的函数f(x,y)表示：

其中x，y 表示二维坐标系XOY 内坐标分量，a、b 分别代表罩体的半径和长度，v 表示罩体形状的选择因子，v 的大小不同所得到的罩体形状不同。

图2 为以罩体底部半径a=1 和长度b=4 的例子。随着 v 值的增大，天线罩外形图从内凹逐渐外凸。表1 给出了正切卵形、锥形、冯卡曼形和幂形天线罩所对应的选择因子参数。

表1 天线罩外形选择因子

根据使用场合的不同，可根据下述选择不同类型的天线罩：

（1）对于飞机、导弹、炮弹等对空气动力学要求比较高的结构，需要选择锥形、正切卵形、幂形、冯卡曼形等天线罩；

（2）对于舰艇雷达、地面雷达等对天线罩电气特性要求比较高的结构，需要选择半球形或圆柱形天线罩。

（二）传统无线电引信天线罩设计

由于传统无线电引信探测器大多工作于厘米波段，天线罩壁厚度相对波长来说电尺寸较小，天线罩设计原则如下：

1.在满足引信特殊环境的使用要求条件下，如强度、抗烧蚀等使用要求，尽量选择薄壁厚度天线罩；

2.为进一步降低加工制造难度，尽量选择等薄壁厚度天线罩。

二、基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法

（一）天线罩引起毫米波引信天线辐射性能下降机理分析

天线罩的存在会对罩内天线的电性能产生影响，对于入射到其上的电磁波，罩体一方面会产生散射，另一方面电磁波也可以透过罩体的介质壳体，并在此过程中产生幅度和相位的畸变。这两方面的因素都会对罩内天线的电性能产生插入相位移(Insertion Phase Delay,IPD)，造成了有天线罩时接收到的电磁波的电场相位与没有天线罩时接收到的电磁波的电场相位差，使天线罩内天线极化方式发生变化，出现“退极化”现象[6]，对天线罩内天线的辐射方向图产生影响。

（二）基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法

本文提出的改善方法思路在天线罩体比较难以加工的头部采取等厚度，而在其他流线型部分采取两个变厚度区域，且这两个区域内是等厚度的，仅在各个区域的过渡处为变厚度。采取该改善方法能够减轻流线型罩体大入射角及入射角分布的不对称性引起的电性能恶化，实现天线方向图辐射等电性能指标改善的目的，还可进一步降低制造难度，提高经济性。图3 为基于内腔异型设计天线罩结构示意图，该天线罩分为三个区域，其中区域三为天线罩头部，采用等厚度进行设计；区域一、区域二为天线罩流线型位置，采用变厚度进行设计，使毫米波天线辐射电磁波向特定方向分散达到相位超前或滞后部分的补偿，降低插入相位移的影响[7]。

三、仿真及验证

为了验证上述改善方法的可行性，采用Ansoft Hfss 软件分别对采用传统天线罩和基于内腔异型设计天线罩的毫米波引信天线辐射性能进行了仿真，建模和仿真结果分别如图4、图5、图6 所示。天线工作频率约为23GHz，天线罩采用介电常数为2.2 的聚四氟乙烯材料，基于内腔异型设计的毫米波引信天线罩主要物理尺寸：L1 取8.8mm、L2 取10.2mm、L3 取20mm。由图5 天线辐射方向图可知，在天线辐射方向与轴向夹角10°和20°处发生较严重畸变，影响了探测系统正常探测；由图6 天线辐射方向图可知，引信天线辐射方向图光滑渐变，畸变点明显改善，且增益提高了2.5dB以上，表明了基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法可行，可以满足探测系统探测要求。

四、结论

本文提出了一种基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法，该方法通过采用天线罩壁变厚度的内腔异型设计，降低了天线罩插入相位移的影响，减轻流线形罩体大入射角及入射角分布的不对称性引起的毫米波天线辐射性能恶化，实现天线方向图辐射等电性能指标改善的目的。仿真验证表明，基于天线罩内腔异型设计的毫米波引信天线辐射性能改善方法可行，天线辐射方向图光滑渐变，畸变点明显改善，天线罩加工易于实现，具有较好的经济性。后续还可通过天线罩材料优化和结构进一步提高天线辐射性能。